Loi de conservation

une loi physique indiquant que les valeurs numériques d’une certaine quantité physique ne varient pas avec le temps dans un processus ou dans une certaine classe de processus. Une description complète d’un système physique n’est possible que dans le cadre de lois dynamiques qui définissent en détail l’évolution d’un système avec le temps. Dans de nombreux cas, cependant, la loi dynamique pour un système donné est inconnue ou trop compliquée. Dans une telle situation, les lois de conservation permettent de tirer certaines conclusions quant au caractère du comportement du système. Les lois de conservation les plus importantes sont les lois de conservation de l’énergie, de l’élan, du moment angulaire et de la charge électrique. Ces lois sont valables pour tous les systèmes isolés. En plus des lois universelles de conservation, il existe des lois de conservation qui ne s’appliquent qu’à des classes limitées de systèmes et de phénomènes.

L’idée de conservation est apparue à l’origine comme une conjecture purement philosophique sur l’existence de quelque chose d’immuable et de stable dans un monde en perpétuelle évolution. Les anciens philosophes matérialistes Anaxagore, Empédocle, Démocrite, Épicure et Lucrèce sont arrivés au concept de matière comme base indestructible et incréable de tout ce qui existe. D’autre part, l’observation de changements continus dans la nature a amené Thalès, Anaximandre, Anaximène, Héraclite d’Éphèse, Leu-cippe et Démocrite à la conclusion que la propriété la plus importante de la matière est que la matière est toujours en mouvement. Avec le développement de la formulation mathématique de la mécanique, deux lois sont apparues sur cette base: la loi de conservation de la masse, énoncée par M. V. Lomonosov et A. Lavoisier, et la loi de conservation de l’énergie mécanique, avancée par G. von Leibniz. J. R. von Mayer, J. Joule et H. von Helmholtz a ensuite découvert expérimentalement la loi de conservation de l’énergie dans les phénomènes non mécaniques. Ainsi, au milieu du XIXe siècle, les lois de conservation de la masse et de l’énergie, interprétées comme la conservation de la matière et du mouvement, avaient pris forme.

Au début du 20ème siècle, cependant, le développement de la théorie spéciale de la relativité a amené un réexamen fondamental de ces lois de conservation (voiRÉLATIVITÉ, THÉORIE DE). La théorie spéciale de la relativité a remplacé la mécanique classique newtonienne dans la description du mouvement à des vitesses élevées comparables à la vitesse de la lumière. La masse, telle que déterminée à partir des propriétés inertielles d’un corps, dépend de la vitesse du corps. Par conséquent, la masse caractérise non seulement la quantité de matière mais aussi son mouvement. D’autre part, le concept d’énergie a également subi un changement: selon la célèbre équation d’Einstein E = mc2, l’énergie totale E est proportionnelle à la masse m; ici, c est la vitesse de la lumière. Ainsi, la loi de conservation de l’énergie dans la théorie spéciale de la relativité unissait les lois de conservation de la masse et de l’énergie qui existaient en mécanique classique. Lorsque les lois de conservation de la masse et de l’énergie sont considérées séparément, elles ne sont pas remplies — c’est-à-dire que la quantité de matière ne peut être caractérisée sans tenir compte de son mouvement.

L’évolution de la loi de conservation de l’énergie montre que les lois de conservation étant tirées de l’expérience, elles nécessitent une vérification expérimentale et un raffinement de temps en temps. On ne peut pas être sûr qu’une loi donnée ou l’énoncé spécifique d’une loi restera valable pour toujours, indépendamment de l’augmentation de l’expérience humaine. La loi de conservation de l’énergie est également intéressante en ce sens que la physique et la philosophie y sont très étroitement liées. Au fur et à mesure que la loi était affinée, elle a progressivement été transformée d’une déclaration philosophique vague et abstraite en une formule quantitative exacte. D’autre part, certaines lois de conservation sont apparues directement sous une forme quantitative. Ces lois comprennent les lois de conservation de l’élan, du moment angulaire et de la charge électrique et de nombreuses lois de conservation dans la théorie des particules élémentaires. Les lois de conservation sont une partie essentielle de la physique moderne.

Les lois de conservation jouent un rôle important dans la théorie quantique, en particulier dans la théorie des particules élémentaires. Par exemple, les lois de conservation déterminent des règles de sélection, selon lesquelles les réactions de particules élémentaires qui violeraient une loi de conservation ne peuvent pas se produire dans la nature. En plus des lois de conservation qui existent également en physique des corps macroscopiques (conservation de l’énergie, de l’élan, du moment angulaire et de la charge électrique), de nombreuses lois de conservation spécifiques sont apparues dans la théorie des particules élémentaires qui permettent d’expliquer les règles de sélection observées expérimentalement. Des exemples sont les lois de conservation du nombre de baryons et du nombre de leptons; ces lois sont exactes — c’est-à-dire qu’elles tiennent dans tous les types d’interactions et dans tous les processus. En plus des lois de conservation exactes, des lois de conservation approximatives, satisfaites dans certains processus et violées dans d’autres, existent également dans la théorie des particules élémentaires. De telles lois de conservation approximatives ont un sens si la classe de processus et de phénomènes dans lesquels elles sont satisfaites peut être indiquée avec précision. Des exemples de lois de conservation approximatives sont les lois de conservation de l’étrangeté (ou de l’hypercharge), du spin iso-sujet (voir INVARIANCE isotopique) et de la parité. Ces lois sont strictement satisfaites dans les processus d’interaction forte, qui ont un temps caractéristique de 10-23-10-24 sec, mais sont violées dans les processus d’interaction faible, dont le temps caractéristique est d’environ 10 “10 sec. Les interactions électromagnétiques violent la loi de conservation du spin isotopique. Ainsi, les recherches sur les particules élémentaires ont montré une fois de plus la nécessité de vérifier les lois de conservation existantes dans tous les domaines des phénomènes.

Les lois de conservation sont étroitement liées aux propriétés de symétrie des systèmes physiques. Ici, la symétrie est comprise comme l’invariance des lois physiques par rapport à certaines transformations des grandeurs impliquées dans la formulation de ces lois. Pour un système donné, l’existence d’une symétrie signifie qu’il existe une quantité physique conservée (voir THÉORÈME de l’Éther). Ainsi, si les propriétés de symétrie d’un système sont connues, alors des lois de conservation peuvent être trouvées pour lui, et inversement.

Comme indiqué ci-dessus, les lois de conservation des grandeurs mécaniques énergie, moment et moment angulaire sont universelles. La raison de cette circonstance est que les symétries correspondantes peuvent être considérées comme des symétries de l’espace-temps (l’univers), dans lesquelles les corps matériels se déplacent. Ainsi, la conservation de l’énergie découle de l’homogénéité du temps — c’est-à-dire de l’invariance des lois physiques sous un changement de l’origine de la coordonnée temporelle (translations du temps). La conservation de l’élan et la conservation du moment angulaire découlent respectivement de l’homogénéité de l’espace (invariance sous translations de l’espace) et de l’isotropie de l’espace (invariance sous rotations de l’espace). Par conséquent, une vérification des lois de conservation mécanique constitue une vérification des propriétés fondamentales correspondantes de l’espace-temps. On a longtemps cru qu’en plus des symétries énumérées ci-dessus, l’espace—temps a une symétrie de réflexion – c’est-à-dire qu’il est invariant sous l’inversion de l’espace. La parité spatiale doit alors être conservée. En 1957, cependant, la non-conservation de la parité a été détectée expérimentalement dans les interactions faibles. Encore une fois, les croyances concernant les propriétés sous-jacentes de la géométrie de l’univers ont dû être réexaminées.

Le développement de la théorie de la gravitation nécessitera apparemment un nouvel examen des vues sur la symétrie de l’espace-temps et sur les lois fondamentales de conservation, en particulier les lois de conservation de l’énergie et de l’élan.